钨铁与石墨为原料制备碳化钨陶瓷涂层的组织及耐磨性研究
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2019 年第 07 期（第 276 期） 佛 山 陶 瓷 15
任 莹袁钱继锋袁王立辉
（陆军军事交通学院军用车辆工程系，天津 300161）
论文以钨铁与石墨为原料制备涂层试样，对试样的组织结构进行了观察分 析，并且研究了涂层的耐磨料磨损性能。在涂层基体上弥散分布着大量的碳化钨硬 质相，涂层与母材形成牢固的冶金结合。复合涂层的硬度远远高于母材的硬度，母 材的平均硬度为 172 HV，涂层的硬度最高达到 698 HV。在常温磨料磨损条件下，钨 铁与石墨为原料制备的试样的耐磨性是对照试样的 1.82 倍。
金相试样的制备包括切割、打磨、抛光和腐蚀四个 步骤。
（1）切割 利用切割机沿试样中部垂直涂层表面切割试样，选 择切面较光滑的半块试样进行打磨。 （2）打磨 采用试样砂纸打磨试样切面，要保证切面的绝对平整。
3 涂层的组织观察与成分分析
在 OLYMPUS GX51 光学显微镜下观察金属陶瓷涂 层组织，将典型组织照相。用 XRD-6000 型 X 射线衍射 仪分析涂层的相结构，利用 JSM-5600LV 型扫描电子显 微镜及能谱仪进行点扫描，确定不同组织所含的元素种 类及各元素含量。用 MHV2000 型数显显微硬度计测量 涂层截面的显微硬度，载荷 0.98 N，保荷 10 s。
目前，国内外对碳化钨颗粒增强钢铁基表面复合材 料的制备工艺主要有铸渗法、热喷涂法、粉末烧结法、熔
注法[2]、离子注渗法[3]、堆焊法[4,5]、激光熔覆法[6,7]、原位合成 法[8,9]、电渣熔铸法等。
原位合成法利用金属 - 金属之间或金属 - 化合物 之间发生的放热反应，在金属内部原位生成一种或几种 硬度高、模量高的陶瓷颗粒增强相，从而达到强化金属 基体的目的。由于增强相原位生成，没有暴露于大气的 机会，表面没有受到污染，界面匹配性好，结合致密[10,11]， 基本上能克服其它工艺中通常出现的一系列问题，如浸 润不良，界面反应产生脆性层，增强基体分布不均，特别 是对微小的（亚微米和纳米级）增强体极难进行复合等， 作为一种突破性的工艺方法而普遍受到重视。
重 量 （%） 4.82 2.07 23.32 69.79
100.00
原 子 （%） 30.23 9.73 31.45 28.59
图 3 白色块状物能谱分析
2 试样的制备
在金相砂纸的使用上，应遵循“从粗到细”的原则。每次 打磨方向与上次的方向垂直，直到抹平上次的磨痕为 止，每次打磨后都要用流水冲洗切面，以避免磨屑影响 下次的打磨工作。
（3）抛光 用金相试样抛光机进行抛光。当试样切面粗糙度接 近镜面、边角锐利且无弧度时，即认为试样已经合格。 （4）腐蚀 试样抛光后，先用酒精擦去切面上的污物，之后用 水冲，再用浓度为 4%的硝酸酒精擦拭，用水冲，可以用 硝酸酒精反复擦拭几次，直至试样切面稍微变色即可， 再用酒精擦拭，最后用吹风机吹干即可。
乎为零。碳化钨颗粒增强钢铁基表面复合材料中，基体 包裹碳化钨颗粒，对碳化钨颗粒有支撑和保护的作用。 由于钢铁液的成形性能好，与碳化钨颗粒完全润湿，几 乎所有的钢铁材料都可作为碳化钨增强颗粒的基体。本 实验采用原位合成法，利用钨极氩弧的高温条件，在熔 敷过程中引发特定喷涂原材料间的合成反应生成 WC 涂层，获得良好的使用性能。通过本课题的研究，在钨极 氩弧为热源的条件下，能获得性能良好的高温涂层，为 WC 涂层在工业中实际应用提供理论基础。
本实验使用的原料如下： 钨铁：本实验使用的是西安凯通金属材料有限公司 生产的 W 含量为 80%的钨铁粉，粒度在 -40～＋100 目 之间。 碳化硼：本实验使用的是牡丹江市前进碳化硼有限 公司生产的碳化硼粉末。 （1）首ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ将基体材料加工成所需要的形状，然后除 去基体表面的氧化物，再用酒精、丙酮清洗表面油脂，并 用吹风机烘干表面。 （2）调制混合粉末膏体。 将原料粉末按照一定比例在研钵中研磨混合均匀， 添加适量水玻璃调制成膏状，均匀涂敷在基体表面，涂 层时厚度控制在 2 mm 左右。 （3）烘干。 膏体涂敷均匀后在空气中静置一段时间，待水蒸发 后，将试样放在干燥炉中烘干，炉温控制在 100℃左右， 保温一小时后随炉冷却。 （4）加热熔敷。 采用钨极氩弧作为热源，电流为 100 A；混合粉末组 成为：2.3 gW-Fe+0.12 gC；加热涂层使其熔化，与母材结 合在一起。
原位合成；碳化钨；磨料磨损
1 前言
碳化钨的晶体结构为六方型，具有高熔点、高硬度、 高弹性模量、高抗压强度等特性[1]，而且与钢铁液的润湿 角几乎为零。此外，碳化钨是高温下最硬的二元碳化物， 并且具有较好的抗氧化、耐腐蚀能力。碳化钨颗粒增强 钢铁基表面复合材料具有非常好的抗磨损性能，在涂层 中，基体包裹碳化钨颗粒，对碳化钨颗粒有支撑和保护 作用。由于钢铁液的成形性能好，与碳化钨颗粒完全润 湿，几乎所有的钢铁材料都可以作为碳化钨增强颗粒的 基体。
光学显微镜下观察金相组织如图 1 所示，母材平均 硬度为 201 HV，焊缝最高硬度值为 734 HV。
图 1 （W-Fe+C）涂层组织
所得焊缝硬度较大，而且从金相照片中发现均不同 程度的析出了颗粒状物质，用扫描电镜观察其显微组织 并且做成分分析。
用扫描电镜观测到的涂层显微组织如图 2 所示。
图 2 （W-Fe+C）涂层显微组织
碳化钨（WC）为六方晶体，具有硬度高、熔点高、热膨 胀系数小、耐磨性好等特点 ，而且与钢铁液的润湿角几
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16 FOSHAN CERAMICS Vol.29 No.07（Serial No.276）
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从图片中可以观察到涂层中生成大量白色块状物 和鱼骨状物质，与前一个试样的组织很相似，对其进行 成分分析，结果如图 3。
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元素 CK OK FeK WM 总量
任 莹袁钱继锋袁王立辉
（陆军军事交通学院军用车辆工程系，天津 300161）
论文以钨铁与石墨为原料制备涂层试样，对试样的组织结构进行了观察分 析，并且研究了涂层的耐磨料磨损性能。在涂层基体上弥散分布着大量的碳化钨硬 质相，涂层与母材形成牢固的冶金结合。复合涂层的硬度远远高于母材的硬度，母 材的平均硬度为 172 HV，涂层的硬度最高达到 698 HV。在常温磨料磨损条件下，钨 铁与石墨为原料制备的试样的耐磨性是对照试样的 1.82 倍。
金相试样的制备包括切割、打磨、抛光和腐蚀四个 步骤。
（1）切割 利用切割机沿试样中部垂直涂层表面切割试样，选 择切面较光滑的半块试样进行打磨。 （2）打磨 采用试样砂纸打磨试样切面，要保证切面的绝对平整。
3 涂层的组织观察与成分分析
在 OLYMPUS GX51 光学显微镜下观察金属陶瓷涂 层组织，将典型组织照相。用 XRD-6000 型 X 射线衍射 仪分析涂层的相结构，利用 JSM-5600LV 型扫描电子显 微镜及能谱仪进行点扫描，确定不同组织所含的元素种 类及各元素含量。用 MHV2000 型数显显微硬度计测量 涂层截面的显微硬度，载荷 0.98 N，保荷 10 s。
目前，国内外对碳化钨颗粒增强钢铁基表面复合材 料的制备工艺主要有铸渗法、热喷涂法、粉末烧结法、熔
注法[2]、离子注渗法[3]、堆焊法[4,5]、激光熔覆法[6,7]、原位合成 法[8,9]、电渣熔铸法等。
原位合成法利用金属 - 金属之间或金属 - 化合物 之间发生的放热反应，在金属内部原位生成一种或几种 硬度高、模量高的陶瓷颗粒增强相，从而达到强化金属 基体的目的。由于增强相原位生成，没有暴露于大气的 机会，表面没有受到污染，界面匹配性好，结合致密[10,11]， 基本上能克服其它工艺中通常出现的一系列问题，如浸 润不良，界面反应产生脆性层，增强基体分布不均，特别 是对微小的（亚微米和纳米级）增强体极难进行复合等， 作为一种突破性的工艺方法而普遍受到重视。
重 量 （%） 4.82 2.07 23.32 69.79
100.00
原 子 （%） 30.23 9.73 31.45 28.59
图 3 白色块状物能谱分析
2 试样的制备
在金相砂纸的使用上，应遵循“从粗到细”的原则。每次 打磨方向与上次的方向垂直，直到抹平上次的磨痕为 止，每次打磨后都要用流水冲洗切面，以避免磨屑影响 下次的打磨工作。
（3）抛光 用金相试样抛光机进行抛光。当试样切面粗糙度接 近镜面、边角锐利且无弧度时，即认为试样已经合格。 （4）腐蚀 试样抛光后，先用酒精擦去切面上的污物，之后用 水冲，再用浓度为 4%的硝酸酒精擦拭，用水冲，可以用 硝酸酒精反复擦拭几次，直至试样切面稍微变色即可， 再用酒精擦拭，最后用吹风机吹干即可。
乎为零。碳化钨颗粒增强钢铁基表面复合材料中，基体 包裹碳化钨颗粒，对碳化钨颗粒有支撑和保护的作用。 由于钢铁液的成形性能好，与碳化钨颗粒完全润湿，几 乎所有的钢铁材料都可作为碳化钨增强颗粒的基体。本 实验采用原位合成法，利用钨极氩弧的高温条件，在熔 敷过程中引发特定喷涂原材料间的合成反应生成 WC 涂层，获得良好的使用性能。通过本课题的研究，在钨极 氩弧为热源的条件下，能获得性能良好的高温涂层，为 WC 涂层在工业中实际应用提供理论基础。
本实验使用的原料如下： 钨铁：本实验使用的是西安凯通金属材料有限公司 生产的 W 含量为 80%的钨铁粉，粒度在 -40～＋100 目 之间。 碳化硼：本实验使用的是牡丹江市前进碳化硼有限 公司生产的碳化硼粉末。 （1）首ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ将基体材料加工成所需要的形状，然后除 去基体表面的氧化物，再用酒精、丙酮清洗表面油脂，并 用吹风机烘干表面。 （2）调制混合粉末膏体。 将原料粉末按照一定比例在研钵中研磨混合均匀， 添加适量水玻璃调制成膏状，均匀涂敷在基体表面，涂 层时厚度控制在 2 mm 左右。 （3）烘干。 膏体涂敷均匀后在空气中静置一段时间，待水蒸发 后，将试样放在干燥炉中烘干，炉温控制在 100℃左右， 保温一小时后随炉冷却。 （4）加热熔敷。 采用钨极氩弧作为热源，电流为 100 A；混合粉末组 成为：2.3 gW-Fe+0.12 gC；加热涂层使其熔化，与母材结 合在一起。
原位合成；碳化钨；磨料磨损
1 前言
碳化钨的晶体结构为六方型，具有高熔点、高硬度、 高弹性模量、高抗压强度等特性[1]，而且与钢铁液的润湿 角几乎为零。此外，碳化钨是高温下最硬的二元碳化物， 并且具有较好的抗氧化、耐腐蚀能力。碳化钨颗粒增强 钢铁基表面复合材料具有非常好的抗磨损性能，在涂层 中，基体包裹碳化钨颗粒，对碳化钨颗粒有支撑和保护 作用。由于钢铁液的成形性能好，与碳化钨颗粒完全润 湿，几乎所有的钢铁材料都可以作为碳化钨增强颗粒的 基体。
光学显微镜下观察金相组织如图 1 所示，母材平均 硬度为 201 HV，焊缝最高硬度值为 734 HV。
图 1 （W-Fe+C）涂层组织
所得焊缝硬度较大，而且从金相照片中发现均不同 程度的析出了颗粒状物质，用扫描电镜观察其显微组织 并且做成分分析。
用扫描电镜观测到的涂层显微组织如图 2 所示。
图 2 （W-Fe+C）涂层显微组织
碳化钨（WC）为六方晶体，具有硬度高、熔点高、热膨 胀系数小、耐磨性好等特点 ，而且与钢铁液的润湿角几
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16 FOSHAN CERAMICS Vol.29 No.07（Serial No.276）
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从图片中可以观察到涂层中生成大量白色块状物 和鱼骨状物质，与前一个试样的组织很相似，对其进行 成分分析，结果如图 3。
2019 年第 07 期（第 276 期） 佛 山 陶 瓷 17
元素 CK OK FeK WM 总量